基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统技术方案

本发明专利技术属于医疗设备技术领域，具体为一种基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统。本发明专利技术系统包括三个模块：CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块；术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块；膝关节软骨表面点云层次化配准模块，实现术中病人与术前图像的空间注册；配准误差为2.5mm左右。本发明专利技术可大大减少术中配准时间，一般用时2分钟左右，因而大大减少手术时间；利用术前融合的CT与MR图像，能够提供软组织信息，有利于医生根据软组织信息进行更好的术前规划以及术中切口位置的判断；另外可大大减少对医生的依赖程度，使医生可以更加专注于手术本身。

【技术实现步骤摘要】
基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统
本专利技术属于医疗设备
，具体涉及膝关节置换术空间注册系统。
技术介绍
现有膝关节置换系统往往基于标记点术中配准方式进行导航，期间涉及多个标记点的选择和确认，配准时间较长，导致手术时间延长问题。图像引导的计算机辅助膝关节置换手术能够帮助医生更好地完成手术[1]。其中，空间配准技术是手术导航最重要的关键技术之一，也是制约临床端到端精度的主要因素之一，同时也影响着手术导航的时间[2]。目前膝关节骨科导航中的空间配准技术主要分为三类[1]：基于基准点的配准，基于解剖点的配准以及基于表面的配准。基准点配准法(Fiducialmakersbased)：在患者进行CT扫描前，植入基准物作为基准点，它们将与术中数据点进行配准。该方法能够简单直观地确定图像空间与病人空间的对应关系，精准率最高[3]。但该方法需要术前额外植入基准物，有时基准物需要人工调整，还可能有疼痛、感染的风险。若采用在皮肤表面进行标记，则会因为皮肤与骨骼间存在的相对运动而引入误差，且标记物容易脱落，因此临床膝关节置换术中很少用此种方法。由于基准点需要额外的术前操作，医生们使用解剖点(Landmark-based)来代替基准点。基于探针拾取术中膝关节表面点的配准方法在临床骨科导航手术中备受青睐[4,5]。术前对病人膝关节采集层间距小、分辨率高的医学断层图像，分割并重建出高精度的三维医学胫股关节可视化模型，在模型上标记解剖点。术中配准时，只需使用经过校准的专用探针采集术中病人胫股区域相应的解剖点[6]，将二者进行对应点配准。但由于解剖点较少，该方法在手术过程中容易受到噪声的影响，配准的鲁棒性不强，且解剖点的选择耗时费力且依赖医生经验[7,8]，因此成本高。基于点云的面配准方法(Surface-based)[9]，通常采用扫描仪提取病灶表面点云[10]，基于术中点云和术前影像的对应关系，实现配准。本研究提出的基于术前多模态影像融合信息和术中扫描仪所获取膝关节病灶表面点云进行空间配准的技术，取代了导航探针通过物理接触关节面(股骨或胫骨)获得解剖点坐标这一重复交互取点方式，不仅(因瞬时更多点云数据获取)使配准误差最小，提高了配准的鲁棒性，而且显著减少了配准时间，节约了宝贵的手术时间。本专利技术提出的新型的基于多模态融合和点云配准的膝关节置换手术空间注册系统，该系统基于术前多模态图像融合信息以及术中扫描仪所采集的膝关节病灶点云，实时地将病灶点云配准到术前影像上，实现了术前影像对术中病灶的快速精准导航，大大减少了术中空间注册时间。参考文献[1].Liu,Y.,PotentialRiskofIntelligentTechnologiesinClinicalOrthopedics.2018.1093:p.281-288.[2].Song,S.J.andD.K.Bae,Computer-AssistedNavigationinHighTibialOsteotomy.ClinicsinOrthopedicSurgery,2016.8(4):p.349.[3].Amiot,L.andF.O.Poulin,ComputedTomography-BasedNavigationforHip,Knee,andSpineSurgery.ClinicalOrthopaedicsandRelatedResearch,2004.421:p.77-86.[4].Bchler,R.,H.BunkeandL.Nolte,RestrictedSurfaceMatching—NumericalOptimizationandTechnicalEvaluation.ComputerAidedSurgery,2001.6(3):p.143-152.[5].Hamadeh,A.,etal.,Anatomy-basedRegistrationforComputer-integratedSurgery.1995.[6].Zheng,G.andL.P.Nolte,Computer-AssistedOrthopedicSurgery:CurrentStateandFuturePerspective.FrontiersinSurgery,2015.2:p.66.[7].M.,J.,etal.,Thehands-onorthopaedicrobot"acrobot":Earlyclinicaltrialsoftotalkneereplacementsurgery.IEEETransactionsonRoboticsandAutomation,2003.19(5):p.902-911.[8].徐永胜等,红外线计算机导航下全膝关节置换的应用研究.中国医疗设备,2012.27(12):第138-142页.[9].Lin,Q.,etal.,Real-timeautomaticregistrationinopticalsurgicalnavigation.InfraredPhysics&Technology,2016.76:p.375-385.[10].Joshi,S.V.andP.J.Rowe,Anovelapproachforintra-operativeshapeacquisitionofthetibio-femoraljointsusing3Dlaserscanningincomputerassistedorthopaedicsurgery.TheInternationalJournalofMedicalRoboticsandComputerAssistedSurgery,2018.14(1):p.e1855.
技术实现思路
为了解决计算机导航膝关节置换手术中，空间注册时间过长问题，本专利技术提出一种基于多模态信息融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统，既能保持较高的配准精度，也能显著降低配准所用时间。本专利技术提供的基于多模态信息融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统，包括三个模块：(I)CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块；(II)术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块；(III)膝关节软骨表面点云层次化配准模块，实现术中病人与术前图像的空间注册；系统的整体架构如图1所示。其中：所述CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块，包括对同一病人术前采集的膝关节CT和MR图像，分别对两种模态图像进行组织分割，即由CT图像得到胫骨和股骨硬骨，由MRI图像得到胫骨和股骨的硬骨和软骨；把MR图像配准到CT图像上，得到CT上融合增强的胫骨和股骨的软骨信息；通过三维重建，提取出CT上胫骨软骨和股骨软骨的表面点云；所述术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块，是用扫描仪采集病人术中膝关节病灶区域的表面点云(其中包含大量软骨表面点云)；所述膝关节软骨表面点云层次化配准模块，利用术前CT图像空间中所重建的软骨表面点云与术中所扫本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统，其特征在于，包括三个模块：(I)CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块；(II)术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块；(III)膝关节软骨表面点云层次化配准模块，实现术中病人与术前图像的空间注册；其中：/n所述CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块，包括对同一病人术前采集的膝关节CT和MR图像，分别对两种模态图像进行组织分割，即由CT图像得到胫骨和股骨硬骨，由MRI图像得到胫骨和股骨的硬骨和软骨；把MR图像配准到CT图像上，得到CT上融合增强的胫骨和股骨的软骨信息；通过三维重建，提取出CT上胫骨软骨和股骨软骨的表面点云；/n所述术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块，是用扫描仪采集病人术中膝关节病灶区域的表面点云；/n所述膝关节软骨表面点云层次化配准模块，利用术前CT图像空间中所重建的软骨表面点云与术中所扫描的软骨点云进行配准，包括基于奇异值分解的粗配准，基于的精配准，最终实现术前虚拟空间即CT或MRI与现实空间的配准。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于多模态融合和点云配准的膝关节置换术空间注册系统，其特征在于，包括三个模块：(I)CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块；(II)术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块；(III)膝关节软骨表面点云层次化配准模块，实现术中病人与术前图像的空间注册；其中：
所述CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块，包括对同一病人术前采集的膝关节CT和MR图像，分别对两种模态图像进行组织分割，即由CT图像得到胫骨和股骨硬骨，由MRI图像得到胫骨和股骨的硬骨和软骨；把MR图像配准到CT图像上，得到CT上融合增强的胫骨和股骨的软骨信息；通过三维重建，提取出CT上胫骨软骨和股骨软骨的表面点云；
所述术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块，是用扫描仪采集病人术中膝关节病灶区域的表面点云；
所述膝关节软骨表面点云层次化配准模块，利用术前CT图像空间中所重建的软骨表面点云与术中所扫描的软骨点云进行配准，包括基于奇异值分解的粗配准，基于的精配准，最终实现术前虚拟空间即CT或MRI与现实空间的配准。


2.根据权利要求1所述的膝关节置换术空间注册系统，其特征在于，所述CT图像上膝关节软骨表面点云的空间坐标构建模块，其内容包括：
(1)将术前同一个病人的CT图像和MR图像进行线性配准，得到变换矩阵Tmr→ct；
(2)从术前CT图像分割出硬骨，记为Hct，从术前MR图像上分割出软骨，记为Cmr，通过变换矩阵Tmr→ct，将MR图像上的软骨变换到CT图像上，增强CT图像上软骨信息，记为通过三维重建构建出CT上软硬骨组合模型这作为术前图像空间的模型引导术中导航；
(3)从重建出的组合模型上提取出软骨表面点云，作为图像空间的点云导航数据，记为Pimage。


3.根据权利要求1所述的膝关节置换术空间注册系统，其特征在于，所述术中病人空间膝关节软骨表面点云采集模块，其内容包括，由于扫描仪直接扫描得到的点云坐标属于扫描仪空间坐标，不同于病人空间点云坐标；而术中病人膝关节病灶软骨空间点云坐标需要在光学定位仪Polaris基准空间读取，为此，首先进行扫描仪标定，得到适配器到扫描仪变换矩阵Tadapter→scan；然后...

【专利技术属性】
技术研发人员：史勇红，姚德民，刘颜静，
申请(专利权)人：复旦大学，
类型：发明
国别省市：上海;31